电力和地理相关知识（二）GIS基础知识

一、GIS概论及体系

1、什么是GIS

• GIS即地理信息系统，是一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴科学
• GIS让你可以所见即所得，将地图的属性信息和空间信息相结合，你可以更加直观地理解这些信息

2、GIS的体系结构

二、GIS坐标系

1、地球空间模型：大地椭球体

• 可以想象地球椭球体就是一个没有那么扁长的橄榄球的形状
  
  2、地心坐标系

• 原点与地球质心重合，以地球质心为原点建立的空间直角坐标系，或参考椭球中心与地球质心重合的地球椭球面为基准面所建立的大地坐标系

3、地理坐标系GCS

• 地理坐标系统（Geographic Coordinate System），它就是由地球表面空间要素产生的定位参照系统

4、大地坐标系

• 大地经度：过地面点的子午面与起始子午面之间的夹角，0°~±180°
• 大地纬度：过地面点的法线与赤道面之间的夹角，0°~±90°
• 大地高，地面点沿法线至参考椭球面的距离，可正可负

5、投影坐标系PCS

• 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影，即曲面变平面
• 由于地球是一个不规则球体，要转换到平面上必须要经过变形或破裂处理，因此，完全没有变形误差的地图是不存在的
• 按变形情况的不同，可以分为等角、等积和任意投影三种
• 目前常用投影：Lamber（兰伯特）投影、Albers（阿伯斯）投影、局部高斯投影、墨卡托投影、通用横轴墨卡托投影、Web墨卡托投影

6、坐标系标准

• 国际：WGS84坐标系（最通用的标准坐标系）
• 国内：1985国家高程基准、2000国家大地坐标系
• 火星坐标系（GCJ-02）：出于国家安全考虑，国内所有导航电子地图必须使用国家测绘局制定的加密坐标系统，即将一个真实的经纬度坐标加密成一个不正确的经纬度坐标；从高德sdk中获取的坐标就是GCJ02

7、坐标系转换

• 主要是GCS转GCS，还需要进行平移、旋转、缩放，GCS转PCS就是投影，PCS转PCS是重投影
• 一般而言比较严密的是用七参数法

8、常见概念

• 经纬网：横纬竖经
• 方里网（公里网）：在地图上按一定的纵横坐标间隔划分的直角坐标网络，网格的间隔通常以千米为单位
• 比例尺：即地图上的一厘米代表着实际上的多少厘米
• 分辨率：代表当前地图范围内，1像素代表多少地图单位（地图单位可以假设为米、千米等）
• WKID：即Well Known ID，众所周知的ID号的意思，EPSG是管理这些ID号的一个组织
• 例如WKID=4326，即EPSG4326代表WGS84这个地理坐标系统，EPSG4490代表CGC2000中国国家2000地理坐标系统

三、GIS数据

1、地图数据结构构成

• GIS地图数据是由不同图层构成，各图层内的数据可以分为矢量和栅格数据
• GIS展示，是通过不同的图层去描述，然后通过图层叠加显示来进行表达的过程

2、地图图层：WebGIS的地图结构

• 二维WebGIS的地图结构：栅格底图图层、矢量图层
• 三维WebGIS的地图结构：地形图层、栅格底图图层、三维模型层、矢量图层

3、基础数据结构：矢量数据与栅格数据

• 矢量数据：如同X，Y（或者X，Y，Z）坐标，利用点线面的形式来表达现实世界，具有定位明显，数据隐含的特点

• 栅格数据（瓦片模型）：以二维矩阵的形式来表示空间地物或现象分布的数据组织方式，每个矩阵单位称为一个栅格单元，具有属性冥想，定位隐含的特点
  
• 二者的比较：
  • 在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；矢量结构对于拓扑关系的搜索更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。
  • 矢量数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高；栅格数据结构简单，便于空间分析和地标模拟，现势性较强
  • 矢量数据的数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难；而栅格数据的数据量大，投影转换比较复杂

4、常见栅格数据：切片（瓦片）地图

• 瓦片地图金字塔模型是一种多分辨率层次模型，从瓦片金字塔的底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的地理范围不变，目前我们所见的所有地图底图服务都是瓦片地图的方式发布的，如下。

• 瓦片地图的特征：
  • 最小的地图等级是0，此时世界地图只由一张瓦片组成；
  • 具有唯一的瓦片等级（Z）和瓦片行列坐标变化（X，Y）
  • 瓦片等级越高，组成世界地图的瓦片数越多，可以展示的地图越详细
  • 某一瓦片等级地图的瓦片是由低一级的各瓦片切割成的4个瓦片组成，形成了瓦片金字塔
  • 瓦片分辨率为256×256

5、矢量数据构成：要素 Feature

• 矢量数据的单个对象我们称之为“要素”，即矢量图层内是由多个要素构成的，而要素主要分为点、线、面等类型
• 要素的数据结构：要素数据由坐标、样式、属性3部分组成
  • 坐标：指地理位置，由经度、纬度、高度（三维GIS中）构成
  • 样式：指表现形式：如图标图片、线条样式、填充色、文字样式等
  • 属性：除经纬度信息之外的关联信息，如名称、地址、电话、面积、长度、备注等
• 坐标信息：
  • 点：由经度、纬度、高度属性组成
  • 线：由多个点组成
  • 面：由一条或多条闭合线组成
• 样式信息：点-符号，线-线型，面-填充
  
• 属性信息：指要素除地理信息之外的其他扩展信息，如名称、长度、备注等，注意属性信息可为空。

6、GIS数据的生产：测绘

• 测绘：人们对地理事物进行观察、认知、分析，最后将其归类、简化、抽象得到概念模型，进而转为逻辑模型和物理模型的过程
• 测绘学：主要是指研究地球的形状和大小，确定地面点的空间位置，将地球表面的形状和其他信息测绘成地图的科学

7、GIS数据来源

• 人工手制或建模：利用专用建模软件，靠人工去绘制矢量数据或模型，常用3DMax、Maya进行人工建模，Revit进行BIM建模
• 测绘仪器：测绘人员利用专业的测绘仪器仪表，在实地环境中测绘所得到的矢量数据，成本、周期以及对采集环境要求高，优点在于精度、置信度、准确度非常高
• 航拍：通过无人机拍摄或高精度航空照片作为底片，进行人为的矢量标注和勾勒，从而形成自己的矢量数据。
• 其他：例如街景、交通拥堵数据等

8、GIS数据的常见文件格式

• DEM地形数据：tif、dem
• DOM影像数据：tif、img
• 矢量数据：shp、kml、geojson、dxf/dwg
• 三维模型：人工建模obj、dae，BIM数据dvt、dgn，点云las、ply，倾斜摄影osgb

9、常见文件格式：

• .tif文件：为栅格图像文件，后缀为tif或tiff，是ogc规范的一种，需要用GIS软件查看
• .dem文件：有两种格式，USGS是一种公开格式的DEM数据格式标准，使用范围较广；NSDTF属于格网数据交换格式，一般的GIS软件都不支持这种格式
• .shp：Shapefile文件是ARCGIS平台的常用格式文件，是工业标准的矢量数据文件，一个shp文件只能存储点、线、面中的一种类型，不存在混合存在的状态
• .kml/.kmz：KML利用XML语法格式描述地理空间数据，适合网络环境下的地理信息协作与共享；KMZ文件是压缩过的KML文件，不仅能包含KML文本，也能包含与之关联的如图片、模型等其他文件
• 还有例如.dwg、GeoJSON、WKT、OSGB（倾斜摄影）、.obj（人工建模）

10、GIS数据存储

• 业务数据：MySQL等普通数据库
• 栅格数据：MongoDB
• 矢量数据：PostGIS

四、GIS服务

1、GIS服务：在网络环境下的一组与地理信息相关的软件功能实体，通过接口暴露封装的GIS功能

• 常用的GIS服务有：ArcGIS Server发布的服务、OGC标准WMS、WMTS、WFS服务、静态资源数据服务、互联网在线地图服务

2、项目中GIS服务的发布

• Nginx发布：离线底图服务、terrain地形、3dtiles三维模型等静态资源服务
• GeoServer发布：矢量数据
• 互联网在线地图服务：一般都直接使用其底图服务、Web查询服务

五、GIS应用开发

1、开发框架的分类

• 专业商用GIS平台：ArcGIS、SuperMap、Skyline等
• 在线图商的公众SDK：百度、高德、谷歌、天地图、Mapbox等
• 开源GIS平台：Openlayers、Leaflet、MapboxGL、Cesium等
  
  2、开发框架的选型使用
• Leaflet（二维）
• Cesium（三维）

3、Leaflet二维地图开发框架

• Leaflet是一个开源的JavaScript库，对移动端友好且有很好的交互性。它轻量简单，相关插件非常丰富

4、Cesium三维地图开发框架

• Cesium是一款Web三维地图的世界级的开源产品。基于WebGL技术，是使用JavaScript语言开发，方便用户快速搭建一款零插件跨平台跨浏览器的虚拟地球Web应用
• Web开发者直接使用js调用相关API就能借助系统显卡（GPU）进行编写代码从而呈现3D场景和对象
• Cesium的学习涉及三个知识领域：Web前端、计算机图形学、地理信息系统（GIS）的跨界SDK
• 学习方法：官方示例、查询API文档、Github、百度谷歌